柴油機(jī)油氣混合不均勻，燃料不能完全燃燒，導(dǎo)致分解為以碳為主的顆粒。同時(shí)，與汽油機(jī)相比，柴油機(jī)的過量空氣系數(shù)很高，且燃燒中產(chǎn)生局部高溫，導(dǎo)致氮氧化物(NOx)大量生成，但一氧化碳(CO)和碳?xì)浠衔?HC)的排放比汽油機(jī)低得多，燃油經(jīng)濟(jì)性也非常好。由此可以看出，優(yōu)化柴油機(jī)的排放性能，主要解決如何降低氮氧化物(NOx)和微粒。
柴油機(jī)在緩燃期中燃燒溫度達(dá)到最大，直接影響到氮氧化物(NOx)的生成量。同時(shí)緩燃期中，若發(fā)動(dòng)機(jī)還在噴油，且噴到高溫廢氣區(qū)，或者混合氣過濃，都會(huì)導(dǎo)致因缺氧而生成微粒。
因此，從機(jī)內(nèi)凈化的角度，可以通過調(diào)節(jié)最高溫度與燃油濃度的關(guān)系，降低氮氧化物(NOx)的生成?？刹捎枚鄽忾T技術(shù)、增壓中冷技術(shù)、控制噴油速率和廢氣再循環(huán)。通過調(diào)節(jié)噴油或組織氣流，使燃料迅速而完全地燃燒，降低微粒的生成?？刹捎脧U氣渦輪增壓技術(shù)、提高噴射壓力、改進(jìn)燃燒室結(jié)構(gòu)、減少機(jī)油消耗、使用低硫燃油、控制噴油過程和調(diào)節(jié)燃油量。
1廢氣渦輪增壓技術(shù)
根據(jù)增壓的方式不同，發(fā)動(dòng)機(jī)的增壓可分為：機(jī)械增壓、氣波增壓、廢氣渦輪增壓、復(fù)合增壓。其中廢氣渦輪增壓是利用發(fā)動(dòng)機(jī)排出的具有一定能量的廢氣進(jìn)入渦輪并膨脹作功，廢氣渦輪的全部功率用于驅(qū)動(dòng)與渦輪機(jī)同軸旋轉(zhuǎn)的壓氣機(jī)，在壓氣機(jī)中將新鮮空氣壓縮后再送人氣缸，如圖1所示。
但廢氣渦輪增壓技術(shù)也存在一定的缺陷。首先，低轉(zhuǎn)速時(shí)性能不好。當(dāng)柴油機(jī)處于較低轉(zhuǎn)速時(shí)，帶動(dòng)渦輪機(jī)所產(chǎn)生的功率也會(huì)降低，導(dǎo)致壓氣機(jī)的增壓壓力相應(yīng)降低，增壓效果不好。其次，加速響應(yīng)慢。由于使用廢氣帶動(dòng)增壓器，發(fā)動(dòng)機(jī)至少經(jīng)過一個(gè)循環(huán)排出廢氣量才會(huì)增加，才會(huì)反映到增壓器上，因此瞬態(tài)響應(yīng)性不好。再次，對進(jìn)、排氣壓力的敏感度高。當(dāng)氣缸排氣量過小，增壓器會(huì)發(fā)生喘震。當(dāng)氣缸排氣量過大，增壓器會(huì)發(fā)生堵塞。這兩種非正常工況均會(huì)影響增壓器的增壓壓力及工作效率。
1.1發(fā)展現(xiàn)狀
廢氣渦輪增壓器可提高發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)氣密度，提高發(fā)動(dòng)機(jī)的充量。一般車用發(fā)動(dòng)機(jī)多采用徑流式，以滿足高轉(zhuǎn)速及較高響應(yīng)性能的要求。增壓器的壓氣機(jī)部分一般都采用單極離心式結(jié)構(gòu)，而渦輪增壓系統(tǒng)，可分為定壓渦輪增壓系統(tǒng)和脈沖渦輪增壓系統(tǒng)。其中，定壓增壓系統(tǒng)對排氣利用率低，低速轉(zhuǎn)矩特性和加速性能較差，適合低增壓時(shí)使用。脈沖渦輪增壓系統(tǒng)低增壓時(shí)對廢氣利用率相對較高，掃氣作用明顯，排氣管容積小，對負(fù)荷變化敏感，動(dòng)態(tài)響應(yīng)好，結(jié)構(gòu)復(fù)雜。車用柴油機(jī)，對加速性能和轉(zhuǎn)矩特性要求較高，因此多采用脈沖渦輪增壓系統(tǒng)。
與機(jī)械增壓相比，廢氣渦輪增壓不消耗由發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸輸出的功率，不影響發(fā)動(dòng)機(jī)功率，不會(huì)增加燃油消耗。與氣波增壓相比，其增壓壓力高，可達(dá)0.4MPa，用于柴油機(jī)時(shí)單機(jī)功率大于35kW，且技術(shù)相對成熟，已實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品化。與復(fù)合增壓相比，其結(jié)構(gòu)簡單，易控制，更適于車用柴油機(jī)使用。使用廢氣渦輪增壓器，柴油機(jī)經(jīng)過必要的改裝，可使功率提高30%～50%，燃油消耗率降低5%左右，有利于改善整機(jī)的動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性和排放性能。
1.2廢氣渦輪增壓對排放的影響
1.2.1對CO排放的影響
柴油機(jī)中CO是燃料不完全燃燒的產(chǎn)物，主要在局部缺氧或低溫下形成。柴油機(jī)通常工作在稀燃條件下，渦輪增壓技術(shù)使過量空氣系數(shù)變大，燃料霧化和混合得到改善，使燃料燃燒更充分，CO排放進(jìn)一步降低。
1.2.2對HC排放的影響
柴油機(jī)中的HC主要是由原始燃料分子、分解的燃料分子以及燃燒反應(yīng)中的中間化合物所組成，小部分由竄人氣缸的潤滑油生成。增壓后進(jìn)氣密度增加，過量空氣系數(shù)變大，可以提高燃油霧化質(zhì)量，減少沉積于燃燒室壁面上的燃油，HC排放減少。
1.2.3對NOx排放的影響
NOx的生成主要取決于燃燒過程中的濃度、溫度和反應(yīng)時(shí)間。柴油機(jī)單純增壓后，因過量空氣系數(shù)增大和燃燒溫度升高而導(dǎo)致NOx排放增加。因此常在增壓同時(shí)配合減少壓縮比、推遲噴油、廢氣再循環(huán)等方式，降低NOx的排放。采用進(jìn)氣中冷技術(shù)可以大大降低增壓后進(jìn)氣溫度，有效控制燃燒溫度，利于減少NOx。
1.2.4對微粒排放的影響
影響微粒生成的原因較復(fù)雜，主要受過量空氣系數(shù)、燃油霧化質(zhì)量、噴油速率、燃燒過程和燃油品質(zhì)影響。通常有利于降低NOx的措施都不利于微粒的排放。增壓后，進(jìn)氣密度增加，充量增大，配合中冷技術(shù)、高壓燃油噴射、電控共軌噴射、多氣門技術(shù)等，可更有效地控制微粒的排放。
1.2.5對CO2排放的影響
CO2是重要的溫室氣體，可導(dǎo)致全球氣溫升高。同時(shí)，CO2的排放也是衡量發(fā)動(dòng)機(jī)燃油經(jīng)濟(jì)性的指標(biāo)。增壓柴油機(jī)充分利用了廢氣的能量，經(jīng)濟(jì)性高，整機(jī)的平均有效壓力增加，CO2排放優(yōu)于汽油機(jī)。
1.3渦輪增壓技術(shù)未來發(fā)展趨勢
可變截面渦輪增壓是未來有發(fā)展?jié)摿Φ囊环N增壓技術(shù)。由于傳統(tǒng)的渦輪增壓器不能隨轉(zhuǎn)速、負(fù)荷的變化調(diào)整噴嘴截面，可以滿足高轉(zhuǎn)速的良好工作，但不能滿足低轉(zhuǎn)速的良好工作，低轉(zhuǎn)速時(shí)的增壓效率較低。可變截面渦輪可在低轉(zhuǎn)速時(shí)減小渦輪噴嘴面積，達(dá)到提高增壓壓力的效果，保證低轉(zhuǎn)速時(shí)的良好工作。
2廢氣再循環(huán)(EGR)
為了解決NOx排放，產(chǎn)生了廢氣再循環(huán)系統(tǒng)(EGR)，結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。其原理是將一部分廢氣導(dǎo)入燃燒室，增加燃燒室內(nèi)氣體的熱容量，降低燃燒氣體的最高溫度，從而抑制NOx排放。
2.1EGR發(fā)展現(xiàn)狀
從20世紀(jì)70年代開始，國外就開始了廢氣再循環(huán)系統(tǒng)的研究，現(xiàn)在一些柴油車上已經(jīng)安裝了EGR系統(tǒng)，為柴油車達(dá)到歐Ⅳ標(biāo)準(zhǔn)奠定了基礎(chǔ)。
對于增壓中冷柴油機(jī)，通常有以下兩種方式：從渦輪前取氣回流到壓氣機(jī)后的EGR系統(tǒng);從渦輪后取氣回流到壓氣機(jī)前的EGR系統(tǒng)。渦輪增壓柴油機(jī)的冷卻再循環(huán)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)適宜采用前一種方式，可避免出現(xiàn)再循環(huán)廢氣污染壓氣機(jī)和中冷器，減少淤塞和腐蝕問題，同時(shí)避免EGR隨工況變化響應(yīng)滯后。
由于柴油機(jī)過氧燃燒，直噴式柴油機(jī)的EGR率超過40%，非直噴式可達(dá)25%。為防止微粒產(chǎn)生，中、低負(fù)荷常采用較大的EGR率，全負(fù)荷不采用EGR，以保證發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性和燃油經(jīng)濟(jì)性。當(dāng)轉(zhuǎn)速提高時(shí)降低EGR率，保證較多新鮮空氣的進(jìn)入，由實(shí)驗(yàn)標(biāo)定測得最佳的EGR脈譜。
對EGR率的精準(zhǔn)控制多采用電子信號(hào)。根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速信號(hào)、油泵齒條信號(hào)(即供油量)和水溫信號(hào)等，按預(yù)先設(shè)定好的脈譜改變EGR率。因柴油進(jìn)、排氣管間壓差較小，柴油機(jī)的E-GR回流管直徑較大，且柴油機(jī)所需的EGR率較高，可在進(jìn)氣管上加節(jié)氣門，低負(fù)荷時(shí)，通過進(jìn)氣節(jié)流達(dá)到增加進(jìn)、排氣管間壓差。同時(shí)，采用冷EGR，可進(jìn)一步降低NOx的排放。柴油機(jī)排氣中的SO2會(huì)生成硫酸，對EGR系統(tǒng)的管路和閥門以及氣缸壁面形成腐蝕，應(yīng)選用高品質(zhì)潤滑油和低硫柴油。
2.2廢氣再循環(huán)對排放的影響
2.2.1對NOx排放的影響
廢氣再循環(huán)技術(shù)降低了燃燒室內(nèi)可達(dá)到的最高燃燒溫度，減少了進(jìn)氣充量，從而抑制NOx的排放。實(shí)驗(yàn)表明，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速一定時(shí)，廢氣中NOx的比例，會(huì)隨廢氣再循環(huán)率的增加而降低。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)處于不同負(fù)荷時(shí)，NOx排放下降率與EGR率呈近似線性關(guān)系。較大的廢氣再循環(huán)率會(huì)導(dǎo)致柴油機(jī)動(dòng)力下降，在中高負(fù)荷時(shí)，EGR率較低，在小負(fù)荷時(shí)，EGR率較高，根據(jù)不同的工況，選擇適當(dāng)?shù)腅GR率。
2.2.2對微粒排放的影響
當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速一定時(shí)，微粒排放量會(huì)隨EGR率的變化而變化。一般來說，廢氣的引入會(huì)造成進(jìn)入氣缸的新鮮空氣降低，易造成局部缺氧和燃料燃燒不完全，引起微粒的增加。隨著EGR率的增加，發(fā)動(dòng)機(jī)排出的微粒也隨之增加。但實(shí)際上中、高負(fù)荷時(shí)，噴油較多，燃燒時(shí)間較短，E-GR率對過量空氣系數(shù)的影響較大，微粒增加幅度較大。在小負(fù)荷時(shí)，噴油較少，EGR率對過量空氣系數(shù)的影響相對減弱，微粒增加的趨勢也相對較小。與NOx的線性關(guān)系不同，微粒排放量增加率與EGR率關(guān)系為二次響應(yīng)，因此微粒增加比例相對更大。
隨著廢氣的引入，NOx排放會(huì)降低，微粒值會(huì)升高，負(fù)荷較大的工況微粒增加的趨勢很明顯，應(yīng)限制高負(fù)荷工況下的EGR率。同時(shí)，帶有EGR系統(tǒng)的發(fā)動(dòng)機(jī)排氣微粒中的HC成分較少。需綜合NOx和微粒兩方面選擇適當(dāng)?shù)腅GR率。
2.2.3對HC、CO排放的影響
隨著EGR率的增加，發(fā)動(dòng)機(jī)尾氣中HC與CO的排放變化關(guān)系較為一致，呈現(xiàn)上升趨勢。在發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速一定的情況下，隨著EGR率增加，HC和CO均為燃料燃燒不充分所產(chǎn)生的排放物。當(dāng)充入氣缸內(nèi)的廢氣增加，必然導(dǎo)致參與燃燒的氧氣量相對減少，燃料燃燒條件惡化。HC排放在中高負(fù)荷時(shí)呈現(xiàn)增加趨勢，在小負(fù)荷時(shí)呈現(xiàn)下降趨勢。HC排放主要來自滯燃期內(nèi)形成的極稀混合氣，因此HC排放與滯燃期時(shí)間長短有關(guān)。負(fù)荷越低，滯燃期內(nèi)形成的極稀混合氣越多，發(fā)動(dòng)機(jī)排氣中HC的濃度越高。在同樣低負(fù)荷時(shí)，廢氣回流率越大，加熱進(jìn)氣的作用越明顯，滯燃期將縮短，對改善HC排放有利。
2.2.4對CO2及燃油消耗率的影響
試驗(yàn)表明，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)的廢氣再循環(huán)率增加，過量空氣系數(shù)有所降低，但CO2的排放量及燃油消耗率只有很小波動(dòng)，基本保持不變。
2.3EGR未來發(fā)展趨勢
在歐美發(fā)達(dá)國家，EGR在汽油機(jī)和輕型柴油機(jī)領(lǐng)域已是一種成熟的工業(yè)技術(shù)，發(fā)展方向是將其完善：如何將EGR技術(shù)與顆粒捕捉技術(shù)、電控高壓噴油技術(shù)、進(jìn)氣富氧技術(shù)等密切結(jié)合起來，使各種有害排放物全面降低;如何實(shí)現(xiàn)EGR率變工況時(shí)的精準(zhǔn)控制以及動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性的提高都是以后的研究重點(diǎn)。為達(dá)到歐Ⅳ標(biāo)準(zhǔn)，EGR率還需進(jìn)一步提高，EGR應(yīng)用于增壓發(fā)動(dòng)機(jī)時(shí)，腐蝕性問題和進(jìn)排壓逆差問題需要研究，以得到一個(gè)比較理想的解決方案。在重型柴油機(jī)領(lǐng)域，應(yīng)用EGR的問題更多更復(fù)雜，在重型柴油機(jī)較高負(fù)荷情況下，隨著EGR率的增加微粒排放增加速度加快，發(fā)動(dòng)機(jī)的耐久性和可靠性受到影響。目前EGR在重型柴油機(jī)的應(yīng)用是國外的一個(gè)重點(diǎn)研究方向，可以預(yù)見在不遠(yuǎn)的將來，EGR將在重型柴油機(jī)領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。
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3柴油機(jī)摻燒
以上兩種方法是通過改變柴油機(jī)燃燒室內(nèi)的燃燒方式達(dá)到降低NOx或者微粒的目的。但是，因NOx與微粒的排放規(guī)律常常相悖，通常是減少一種而另一種隨之增加，因此，可以考慮通過改進(jìn)燃料的方式來達(dá)到既降低NOx又降低微粒。
3.1柴油機(jī)摻燒LPG(液化石油氣)
實(shí)驗(yàn)表明，柴油機(jī)摻燒LPG后，由于LPG在進(jìn)氣道與空氣混合，較為均勻，燃燒過程中的局部缺氧情況得到改善，微粒的排放得到抑制。NOx、HC、CO會(huì)隨LPG加入量及工況的變化而變化。NOx排放在中小負(fù)荷時(shí)隨LPG量增大而減小，全負(fù)荷工況時(shí)，LPG量較少，NOx隨LPG量增大而降低。當(dāng)LPG量繼續(xù)增大，NOx排放略有升高。HC、CO排放隨LPG量增大而升高，可通過減小供油提前角來降低排放。
3.2柴油機(jī)摻燒CNG(天然氣)
天然氣是一種比較常見的燃料，CNG/柴油雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)已經(jīng)產(chǎn)品化。例如用少量柴油引燃天然氣的發(fā)動(dòng)機(jī)，其混合氣為預(yù)混燃燒，燃燒過程中產(chǎn)生很多著火點(diǎn)，燃燒中局部缺氧狀況得到改善，減少了微粒的排放。同時(shí)燃燒速度更快，選擇適當(dāng)?shù)奶烊細(xì)?、柴油比例，可以降低NOx的排放量。
3.3柴油機(jī)摻燒氫氣
氫氣是一種熱值很高的物質(zhì)，氫氣在燃燒過程中，火焰?zhèn)鞑ニ俣群芸?，不?huì)產(chǎn)生HC、CO和CO2，是一種十分清潔的燃料，而且資源極其豐富。當(dāng)柴油機(jī)摻氫燃燒時(shí)，可大大改善燃燒情況。等離子體制氫技術(shù)在汽車上有應(yīng)用前景，可以為發(fā)動(dòng)機(jī)提供富氫氣體，提高熱效率，同時(shí)氫氣燃燒速度快，可以縮短滯燃期，可以抑制NOx的排放。目前，等離子體制氫技術(shù)在汽油機(jī)上應(yīng)用有所進(jìn)步，在柴油機(jī)上也會(huì)有不錯(cuò)的效果。
3.4其他代用燃料
隨著能源的緊缺，會(huì)有更多的新型燃料參與到優(yōu)化柴油機(jī)燃燒的方法中。通過改善燃料的品質(zhì)和組成，改善缸內(nèi)燃燒過程，以提高發(fā)動(dòng)機(jī)效率和排放性能，一定會(huì)有十分廣闊的前景。
4結(jié)論
(1)使用廢氣渦輪增壓技術(shù)，可以提高燃油的經(jīng)濟(jì)性，降低HC、CO和微粒的排放，但會(huì)惡化NOx的排放。因此需要通過加裝后處理設(shè)備，才可以全面降低各種排放物。
(2)廢氣再循環(huán)技術(shù)主要針對柴油機(jī)稀燃產(chǎn)生大量NOx排放，可顯著降低NOx的排放量，相比會(huì)增加其他排放物的生成量，尤其是微粒的排放隨EGR率升高，快速增加，配合微粒捕捉器排放效果會(huì)有改善。
(3)通過摻燒其他燃料，如：天然氣、液化石油氣、氫氣等都能一定程度上改善排氣中NOx和微粒的數(shù)量，需要根據(jù)工況調(diào)整其比例，需要進(jìn)一步的研究。
